摘要：本文著重介紹了國產多電平高壓變頻器在通化鋼鐵集團煉鐵廠的應用情況。變頻器現場運行情況表明，冶金行業(yè)采用國產高壓變頻器對高爐除塵風機進行調速節(jié)能，改造是成功的，節(jié)能效果是明顯的。
英文摘要 ：The paper introduces the application of multi-level high voltage inverter in Tonghua Steel Factory. The running result indicates that the adoption of high voltage inverter to Remove-Dust is successful and the effect of saving energy is distinct.
關鍵詞： 山東新風光電子科技發(fā)展有限公司趙樹國郭培彬通化鋼鐵集團有限責任公司 煉鐵廠李洪遠
1 引言
通化鋼鐵集團有限責任公司是吉林省省屬最大的國有工業(yè)企業(yè)和唯一的大型鋼鐵聯合企業(yè)集團。隨著世貿組織的加入和市場競爭的加劇，為提高產品市場占有率、競爭力，通化鋼鐵集團深化改革，加快一批項目建設，其中6#高爐為新建項目之一。6#高爐為750m3高爐，它在吸取了以前舊高爐經驗的基礎上，又在建設中采用了大量先進的生產工藝。高爐除塵風機的變頻控制就是先進工藝的典型應用。以前舊高爐除塵風機為一般工頻運行或液力偶合器控制。若電機采用工頻運行，通過調節(jié)風門的出口擋板調節(jié)風量來滿足生產工藝要求，大量電能白白浪費在閥門上;若采用液力偶合器調速，則存在以下缺點:
(1) 調速范圍窄，轉速不穩(wěn)定;
(2) 電機的效率低，損耗大;
(3) 液力偶合器經常出現故障，不能滿足連續(xù)生產的需要;
(4) 調節(jié)精度低，響應慢。
鑒于存在以上諸多問題，因此，通鋼集團煉鐵廠6#高爐除塵風機改用變頻調速控制。
2 高壓變頻器技術要求
眾所周知，高爐在生產過程中，產生大量的煙塵，污染環(huán)境，根據國家法規(guī)，需要除塵處理。除塵風機是除塵系統(tǒng)的關鍵設備，一旦除塵風機不能正常工作，不但耽誤生產，影響產量，還有可能對現場值班人員人身安全造成威脅，因此，和除塵風機配套的高壓變頻器，要求具有極高的可靠性。對高壓變頻器的主要要求如下:
(1) 要求可靠性高;
(2) 要求有完善的數字控制功能;
(3) 技術指標要求高;
(4) 要求適應惡劣的使用環(huán)境;
(5) 要求標準的數字通信接口;
(6) 調速范圍大，效率要高;
(7) 要求滿足高爐生產工藝調速要求。
經過多方考察，比較性價比，決定選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的JD-BP38型高壓變頻器，通過雙方技術人員的合作，共同制定了6#高爐除塵風機的變頻控制方案。
3 現場除塵風機設備簡介
3.1 電機及風機參數
(1) 電機參數
型號 Y560-3-8
額定功率 800kW
額定電壓 10kV
額定頻率 50Hz
額定電流 59.5A
額定功率因數 0.82
額定轉速 745r/min
(2) 風機參數
型號 Y4-73
額定流量 393797m3/h
額定轉速 730r/min
軸功率 800kW
3.2 除塵風機工藝要求
高爐生產為周期性間斷出鐵,高爐在出鐵時,產生大量棕紅色煙塵,此時要求風機變頻高速運行;在不出鐵時,只需要很低的轉速。利用變頻器根據高爐實際需要對除塵風機進行變頻調速控制,既保證和改善了工藝,又達到了節(jié)能降耗的目的。
通鋼6#高爐一個出鐵工藝高速時間約40min,每天出鐵15爐。出鐵時,變頻器高速運行,高速定為45Hz(可調);不出鐵時,變頻器低速運行,低速定為20Hz(可調)。
4 高壓變頻器系統(tǒng)介紹
通鋼集團有限公司煉鐵廠最終選定山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的風光牌JD-BP38-800F功率單元多電平串聯高壓大功率變頻器,對6#高爐除塵風機進行調速控制。
4.1 風光牌JD-BP38-800F高壓變頻器主要性能指標
變頻器功率 800kW
額定輸出電流 69A
輸入頻率 50Hz±5Hz
額定輸入電壓 10kV
允許電壓波動 ±20%
輸入功率因數 ≥0.98
輸出頻率范圍0~50Hz
輸出電壓范圍0~10kV
變頻器效率 ≥96%
過載能力 100%連續(xù) 160%連續(xù)1min 220%允許1.5s
4.2 JD-BP38-800F高壓變頻器主要技術性能
(1) 高—高電壓源型變頻器，直接10kV輸入，直接10kV輸出，無須任何輸出變壓器或濾波器，適配于普通高壓電動機，對電機、電纜絕緣無損害。
(2) 輸入功率因數高，電流諧波小，無須功率因數補償、諧波抑制裝置。
(3) 單元電路模塊化設計，維護簡單，互換性好。
(4) 輸出階梯正弦PWM波形。
(5) 高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強弱電隔離，安全可靠。
(6) 完善的故障檢測，精確的故障保護及準確的定位顯示和報警。
(7) 內置PLC，易于改變控制邏輯關系，可靈活選擇現場控制/遠程控制，適應現場多變需求。
(8) 采用載波移相控制技術，大大抑制了輸出電壓的諧波成分，保證輸出波形是完美正弦波。
(9) 控制電源與高壓電相互獨立，無高壓時可以檢測變頻器輸出，便于現場調試以及培訓操作人員，便于維護。
(10) 采用準優(yōu)化SPWM調制技術，電壓利用率高。
(11) 功率單元經24h高溫老化、150％負載試驗，可靠性高。
(12) 中文Windows 操作界面，彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善，系統(tǒng)包括上位機(商用PC機)、下位機(工控機)、單片機。其中單片機給用戶提供一個4位LED數碼顯示屏和一個12鍵的小鍵盤操作平臺，可對變頻器進行全部操作，包括參數設置和各種運行指令。工控機用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺，其功能更齊全，包括參數設定、功能設定、運行操作、運行數據打印、故障查詢等等。上位機(商用PC機)放在總控室，可對多臺變頻器進行遙測、遙控。若只有一臺變頻器，上位機可省，或讓客戶自定。
(13) 可接收和輸出多路工業(yè)標準信號。
(14) 可打印輸出運行報表。
4.3 高壓變頻系統(tǒng)介紹
風光牌JD-BP38型高壓變頻系統(tǒng)采用直接“高-高”變換方式，屬電壓源型，采用功率單元多電平串聯方式，以最新型西門子IGBT為主控器件，全數字化控制，彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標的優(yōu)質變頻調速器。
(1) JD-BP38型高壓變頻調速系統(tǒng)
其系統(tǒng)結構如圖1所示。由移相變壓器、功率單元和控制器組成。風光10kV高壓變頻器，變壓器有30組付邊繞組，分為10個功率單元/相，三相共30個單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標規(guī)定。
(2) 功率單元電路
每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構如圖2示，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為六支二極管實現三相全波整流，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制。每個功率單元完全一樣，可以互換，這不但調試、維修方便，而且備份也十分經濟。假如一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動通過可控硅旁路而整機可以暫時降額工作，直到緩慢停止運行。
(3) 輸入側結構
輸入側由移相變壓器給每個單元供電，每個功率單元都承受電機電流、1/10的相電壓、1/30的輸出功率。30個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實現多重化，降低輸入電流的諧波成分。
本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成36脈沖整流方式;這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近1，輸入電流諧波成分低。實測輸入電流總諧波成分小于5%。
(4) 輸出側結構
輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖3所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器。就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造;同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。
(5) 控制器
控制器核心是由高速32位DSP芯片和工控PC機協同運算來實現的，精心設計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。工控PC機提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實現遠程監(jiān)控和網絡化控制?？刂破饔糜诠耋w內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態(tài)信號的協調，增強了系統(tǒng)的靈活性。
5 變頻控制方案
變頻器控制6#高爐除塵風機為一拖一控制，旁路開關柜用于工/變頻切換。K1，K2和K3為三個高壓隔離開關，要求K2和K3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。K1和K2閉合，K3斷開，風機為變頻運行;K3閉合，K1和K2斷開，風機為工頻運行?？刂品桨附泳€如圖4示。
圖4中:K0—用戶原高壓開關;
K1、K2和K3—高壓隔離開關;
BPQ—JD-BP38-800F高壓變頻器;
M—高壓電動機。
6 變頻器運行情況
2004年10月，雙方公司簽定了一臺高壓變頻器，型號為JD-BP38-800F。2004年12月16日，高壓變頻器開始安裝就位; 2004年12月20日，調試完畢; 2004年12月25日，正式投入運行。整個變頻器安裝調試周期都很短，為6#750高爐順利投產提供了有利的保證。
高壓變頻器控制除塵風機,與原舊高爐除塵風機比較,主要有以下優(yōu)點:
(1) 運行穩(wěn)定，安全可靠。
從變頻器順利投運近八個月以來，對變頻器輸入變壓器溫升、功率單元溫升、輸出電壓、輸出電流等各項參數定期巡檢，完全正常。變頻器運行一直十分穩(wěn)定，為6#高爐安全可靠生產提供了強有力的保證。對于用戶來說，只需定期對變頻器除塵，不用停機，保證了高爐生產的連續(xù)性。
(2) 電機及機組運行平穩(wěn)，各項指標滿足工藝要求。
在整個運行范圍內，電機始終運行平穩(wěn)，溫升正常。風機啟動時的噪音和啟動電流非常小，無任何異常振動和噪音。在調速范圍內，軸瓦最高溫升允許65℃,實測10℃。
(3) 變頻器的三相輸出波形完美，非常接近于標準正弦波。
經過現場測試，變頻器的三相輸出電壓波形、電流波形非常標準，說明變頻器完全可以控制一般的普通電動機運行，對電機無任何特殊要求。
(4) 運行工況改善，工人勞動強度降低。
隨著高爐生產除塵的需要，調節(jié)風機的轉速，進而調節(jié)風機風量，既滿足高爐生產工藝的需要，工作強度又大大降低。
(5) 減少了維護工作量和維護費用。
原舊高爐除塵風機在運行過程中，經常造成風機和電機的損壞，維護工作量大，檢修費用高，采用變頻技術調速后，減少了機械磨損，保證了風機的正常運行。
(6) 調速范圍寬，調速精度高。
除塵風機的風量經常需要根據工藝的需要變化，在過去擋板或液力偶合器調節(jié)時，出現執(zhí)行機構的開度與流量的非線性問題，致使調節(jié)失誤，采用變頻拖動風機可以在0～50Hz范圍內任意調速，調速精度高，可保持在0.1～0.01Hz范圍內工作，便于實現除塵系統(tǒng)自動化控制。
(7) 變頻器具有多項保護功能，十分完善。
與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。
(8) 節(jié)能效果顯著，大大降低了電耗。
該系統(tǒng)生產周期大約為1h，出鐵時間為20min，間隔約40min，系統(tǒng)配置電機額定電流為59.5A，根據其它生產線的實際運行情況電機運行電流在55A左右。高爐出鐵變頻高速運行45Hz時，電流為45A左右，在20Hz低速運行時，電流為15A左右。(一天中風機高速運行時間占40%，無停機時間)
P變=1.732×10×(45×0.98×40%＋15×0.98×60％)=458kW
P工=1.732×10×55×0.86=819kW
節(jié)電率=( P工-P變)/P工=44%
7 結束語
從近8個月的運行情況來看，山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的JD-BP38-800F高壓大功率變頻器性能優(yōu)越，可靠性高，節(jié)能效果顯著，變頻調速系統(tǒng)滿足了高爐連續(xù)生產的需要。風光牌JD-BP38-800F在通鋼集團6#750高爐除塵風機的成功運行，說明在高爐除塵風機應用變頻調速技術是完全正確的，證明了其性能具有無可比擬的優(yōu)越性。
通風設備網：http://www.boshiwj.com